IEEE 802.11n 차세대 무선 LAN이 다가온다

802.11n은 802.11a와 g의 성능을 향상시키고자 하는 노력속에서 태어났다. 현재 차세대 무선랜의 IEEE 표준안인 802.11n은 표준화 작업이 마무리중에 있으며, 이에 맞추어 무선 통신 칩셋업체들은 시장선점을 위해 EWC 규격이 IEEE 802.11n draft와 일치하고 있지 않음에도 불구하고 앞다투어 칩셋을 발표하고 있어 주목된다. < 편집자 주>
CDMA 기술을 기반으로 하는 이동통신시스템의 발전과 DSL 기반의 유선통신시스템의 발전은 우리나라를 세계적인 정보통신 강국으로 성장시키고 있다. 세계적으로 높은 수준의 개인용 컴퓨터와 이동통신단말기 보유율을 바탕으로 폭발적인 인터넷서비스 사용량의 증가뿐만 아니라 무선인터넷서비스에 대한 요구사항도 증가하고 있다. 이에 맞춰 무선 LAN은 고속의 가입자 전송속도를 지원하기 위해 발전하고 있다.
이미 high throughput을 목표로 하는 국제 표준화가 진행되어 마무리 단계에 있고, 이에 세계적인 칩셋업체들이 앞다투어 IEEE 802.11n draft 이전의 EWC 버전을 이용한 칩셋을 발표하고 있다. 현재 ETRI에서는 802.11n draft 표준안을 기반으로 하는 칩셋 개발이 완성 단계에 이르렀으며, 이미 그 기능 및 성능에 대해 FPGA를 이용한 시스템 구축으로 확인하였다. 앞으로 네트워크, 오피스 네트워크 및 휴대폰 탑재 칩 등에 대한 대규모 시장 형성이 예상되고 있어 경제적 기대효과를 기대할 수 있다.
국내에서는 ETRI가 지난 2005년말 270Mbps급 IEEE 802.11n 차세대 무선랜 표준을 적용한 모뎀 및 MAC FPGA 개발을 완료하였다. 또한 2007년 2월에는 삼성전기, 유비원, 넥스터치 등과 함께 270Mbps급 IEEE 802.11n 모뎀 및 RF 칩셋 개발을 완료하고 하반기부터 상용화할 예정이다.
IEEE 802.11 무선 랜
초고속 무선랜은 반경 100m 내외 지역에서 200~600Mbps의 전송속도를 제공하며 노트북 PC, PDA 등의 단말기를 사용해 무선으로 초고속 멀티미디어 서비스뿐만 아니라 셀룰러 폰에 무선랜 칩을 탑재하여 휴대 인터넷 및 VoIP 서비스를 제공한다.
핫스폿, 오피스 및 홈 네트워킹을 위한 무선 네트워크 환경을 제공하여, 인터넷 및 실시간 A/V 데이터 송수신 서비스를 제공하고자 하며, 이는 유무선 네트워크 백본과 연결되는 AP를 중심으로한 무선 데이터 통신 인프라 구축, AP간 또는 단말기들 간 네트워크를 스스로 구성할 수 있는 ad-hoc 네트워크를 그림 1에서와 같이 구성한다.
초고속 멀티미디어의 서비스 수요는 향후 수년내에 그 수요가 폭발적으로 증가할 것으로 전망됨에 따라 IEEE 802.11에서는 200~600Mbps급의 차세대 초고속 무선랜 표준으로서 IEEE 802.11n의 표준안을 제정하는 작업을 진행하고 있다. 현재 미국 IEEE 802.11n에서 표준이 거의 완료 단계에 와 있고, 홈, 오피스 및 핫스폿 네트워크 시장의 규모가 고속 성장하고 있음에 따라 조기에 칩셋 개발을 통해 기술 및 시장을 선점하고자 무선 통신 칩셋업체에서는 IEEE 802.11n draft 표준안이 확정되기 전의 EWC 버전을 이용한 칩셋을 앞다투어 내놓고 있다.
비록 IEEE 802.11n 표준을 만족하지는 못하지만 유사한 버전을 시장에 선보임으로써, 향후 전개될 주도권 다툼에 우위를 점하려는 계산이 작용하고 있다. 현재까지 미국의 무선랜 선도업체들 중 4개 업체에서 이러한 버전을 내놓고 있는데, 802.11a/b/g와는 달리 원칩 솔루션을 제공하는 것은 아니다.
새로운 IEEE 802.11n 표준에는 무선통신의 다양한 기술들이 표준으로 채택될 전망이다. 논의되고 있는 기술들로는 물리계층에서의 다중 안테나의 사용, 송신 빔형성, 듀얼 밴드 그리고 LDPC 등의 기술과 MAC 계층에서의 집합 전송, 블록 전송, 링크 적응 기법 등의 채택이 논의되고 있다. 기존의 무선랜 시스템에서 널리 사용되어온 IEEE 802.11a/b/g와의 호환성을 보장한다.
무선 랜의 국제 표준화 동향
오늘날 사무실에서 사용되는 데스크톱 PC 뿐만아니라 이동 사무실 환경을 추구하는 노트북, PDA 등에서 널리 사용되는 데이터 전송을 위한 무선 접속 기술 중에 대표적인 것이 무선랜(WLAN)이다.
고화질 TV, VOD, MP3 파일 전송 등의 사용은 광대역 무선랜 기술의 출현을 요구하고 있다. IEEE 802.11에서는 무선랜의 표준으로 IEEE 802.11b, 11a/g 등의 표준화가 완성되어 상용화되어 있고, 물리계층에서의 최대 전송속도는 각각 11Mbps, 54Mbps이다. IEEE 802.11a/g의 경우 최대 전송속도에서 사용자가 느끼는 실제 스루풋은 IEEE 802.11 MAC 계층과 함께 고려되어야 하며, 이때 프리앰블, 프레임간 간격, Ack(Acknowledgement) 프레임 같은 물리계층과 MAC의 오버헤드(overhead)가 존재한다. 따라서 이와 같은 효율 감소를 고려하면 사용자가 사용할 수 있는 대역폭은 최대 27Mbps 정도이다. 고화질 IPTV 등에서 요구되는 전송 대역폭은 20Mbps 정도이며, 이를 수용할 수 있는 홈네트워크에서는 IEEE 802.11a/g 보다 큰 대역폭이 요구되어 왔다.
IEEE 802.11 Working Group에서는 이에 대한 요구에 부흥하기 위하여 2002년부터 차세대 무선 랜 기술 표준으로서 IEEE 802.11n Study Group을 시작으로 2003년에 Task Group을 만들어 표준화 작업을 진행하여 왔다. 그 동안 여러 개의 proposal 들이 나왔으나, 현재는 Intel, Agere, Qualcomm, Atheros, Samsung 등 25개 업체가 참여하는 TGn-Sync와 Broadcom, Conexant, Airgo, Motorola, Nokia, ETRI 등 19개 업체가 참여한 WWiSE 그룹 등이 남아서 표준화 작업을 진행하였고, 현재는 IEEE 802.11n draft 1.0 표준안이 발표되었다. 이후 draft 2.0이 논의중이며, 오는 4월 규격 출판을 앞두고 있다.
차세대 무선랜 기술의 핵심으로 물리계층에서의 다중 안테나의 사용, 송신 빔형성, 듀얼 밴드 그리고 LDPC 등의 기술과 MAC 계층에서의 집합 전송 (aggregation), 블록 전송(block acknowledgement), 링크 적응 기법(link adaptation technique) 등은 공통적으로 사용한다. 또한, 두 그룹 모두 IEEE 802.11a/g 표준과의 호환성(backward compatibility)을 보장하고 있다.
PHY 기술 동향
MAC SAP에서 100Mbps 이상의 high throughput을 목표로 차세대 무선랜 표준화를 진행하고 있는 TGn 그룹은 2004년 9월 Berlin 회의에서 32개의 complete/partial proposal 발표시간을 가진데 이어 complete proposal을 중심으로 표준안을 논의하였고, 이 중 가장 많은 지지를 받고 있는 TGnSync와 WWiSE, 두 그룹으로 크게 나뉘어 후보 기술을 발표하고 표준안을 진행하는 과정에서 EWC을 구성하여 진행하다가 2006년 3월 회의를 통해 802.11 draft 표준안을 발표하였다.
고속 device는 802.11a/b/g 표준안을 따르고, 2.4GHz 대역과 5GHz 대역을 사용하였다. HT OFDM PHY 표준안은 기존의 OFDM PHY를 기반으로 20MHz 대역폭으로 두 개에서 네 개의 spatial stream으로 확장하였다. 또한 1에서 4개의 spatial steam 전송은 40MHz 대역폭으로 선택적으로 확장하여 동작 가능하여 선택적 모드인 경우 최대 600 Mbps(4 spatial streams, 40MHz bandwidth)가 수용 가능하다. 모듈레이션 방식으로는 BPSK, QPSK, 16-QAM or 64-QAM을 사용하고, 전송 오류 정정 코딩으로 convolutional coding 1/2, 2/3, 3/4 또는 5/6을 사용하고 LDPC code를 선택적으로 사용한다. 다른 선택사항으로는 400ns의 short GI, transmit beamforming, GF mode, STBC, 그리고 40MHz 대역폭이 있다. HT OFDM PHY는 20MHz 대역폭에서 AP에서 모든 rate에 대해 1~2개의 spatial stream과 STA에서 1개의 spatial stream을 mandatory로 하고 있다. 또한 선택적으로 40MHz 대역폭을 가지고 1개에서 4개의 spatial stream을 지원하며 최대 A-MPDU 길이는 65,535byte이다.
PHY는 세 가지 mode로 동작하게 되는데 Non-HT mode, Mixed mode, Greenfield mode를 선택적으로 사용하도록 지원한다. Non-HT mode는 legacy를 지원하고, Mixed mode는 legacy와 HT mode를 둘 다 지원하며, Green field의 경우는 HT mode만을 지원하게 된다. 또한 802.11n draft 표준안에서는 802.11a와의 호환성을 보장함을 원칙으로 한다. 표 1은 IEEE 802.11n draft 규격을 요약한 것이다.
Mandatory의 경우 최대 전송속도는 2 spatial stream, 20MHz, 64-QAM, 5/6 code rate을 사용하는 경우 130Mbps이고 optional mode인 경우에는 4 spatial stream, 40MHz, 64-QAM, 5/6 code rate을 사용하여 600Mbps이다. 이렇듯 무선랜 시스템의 high throughput과 성능을 위해 다양한 기술이 mandatory 또는 optional로 채택되어 있다. 주요 후보기술은 다음과 같다.
– 대역폭의 증가없이 다수의 안테나를 이용하여 spectral efficiency를 높이고자 SDM 방식은 서로 다른 데이터, 서로 다른 안테나를 이용하여 전송함으로써 n개의 안테나를 이용하여 n배의 전송속도를 높인다. Mandatory mode로 기본적으로 2개를 사용하고 최대 4개까지 안테나를 활용할 수 있다.
– 다중의 송신 안테나에서 같은 데이터를 전송하여 전송 다이버시티 효과로 수신 신호대 잡음비를 높이고자 하는 STBC 기술은 고품질의 데이터를 얻을 수 있으며 optional mode로 채택되어 있다.
– Tx beamforming 기술은 수신단에서 각 전송된 spatial stream의 수신 에너지를 최대화하여 수신신호 대 잡음비를 향상시키기 위한 기술로 optional mode로 채택되어 있다.
– LDPC code는 1962년 Gallager에 의해 처음 제안되었으나 구현의 복잡도로 인해 오랫동안 잊혀져 있다가 1995년 Mackey, Neal에 의해 재발견된 복호방법으로 Shannon limit에 근접한 우수한 성능, 낮은 복호 복잡도, 병렬처리에 의한 고속처리에 의한 차세대 통신 시스템에 적용되고 있다. 이 기술은 패러티 검사 행렬을 이용하여 반복적으로 확률값을 갱신하여 복호하는 방법으로 advanced coding 기술로 optional mode에 채택되어 있다.
– 대역폭 확장은 기존의 20MHz 대역폭을 40MH로 확대하여 사용하는 기술로 약 두 배의 부반송파를 하나의 심볼에 실어 전송함으로써 스루풋을 2배로 끌어 올릴 수 있어 optional mode로 채택하고 있다.
– Short GI은 기존의 800ns의 GI을 절반인 400ns만 사용하여 스루풋을 향상시키고자 TGnSync에서 optional mode로 제안하고 있다.
MAC 기술 동향
802.11n의 MAC 규격은 효율성(efficiency), 속도 적응성(rate adaptation), 호환성(interoperability) 지원을 기본으로 한다. 이와 같은 목적을 위하여, 11n의 MAC 규격에서는 공통적으로 효율성과 속도 적응성 지원을 위하여 프레임 aggregation과 BA, LongNAV를 채택하고 있다. 또한, legacy 장치와의 호환성을 위하여 802.11e의 EDCA, HCCA의 QoS 지원 기능을 포함한다.
802.11n에서는 기본적으로 위와 같은 원칙을 바탕으로, 표준화(standardization), 제품화(productization), 호환성으로의 빠른 진행을 위하여 단순함(simplicity)을 강조한다.
802.11n의 MAC 계층의 aggregation 방안으로는 A-MSDU와 A-MPDU 방식이 있다. A-MSDU는 우선순위(priority)가 같고, 동일한 DA로 향하는 다수의 MSDU를 하나의 MSDU로 aggregation하는 방법이며, A-MPDU는 하나 이상의 MPDU를 aggregation하여 구성한다. A-MSDU 내의 각MSDU는 MSDU 길이, SA, DA로 구성되는 subframe 헤더에 의해서 구분된다. 구성된 A-MSDU는 일반 MSDU와 동일하게 취급되어 프레그멘테이션이 수행될 수 있으며, MPDU로 구성되어 전송된다.
A-MSDU 기법은 전송하려는 패킷의 크기가 작고, 짧은 시간에 동일한 DA로 향하는 다수의 패킷을 전송하는 경우에 효율적이다. 이와 같은 이유는 전송과정에서 소요되는 시간(PLCP preamble, MAC header, IFS, backoff 등)의 횟수를 감소시킬 수 있기 때문이다. 802.11n의 A-MSDU 기법을 지원하기 위해서는 legacy MAC-PHY의 인터페이스에 별도의 수정이 필요 없어서, 비교적 구현이 용이하다.
A-MPDU는 MAC 계층의 하위부에서 위치하여 하나 이상의 MPDU를 aggregation하여 하나의 PPDU로 구성하는 방식이다. A-MPDU의 길이는 해당 프레임의 우선순위에 따른 AC의 TxOP 기간동안에 전송 가능한 사이즈로 제한된다. 이와 같은 A-MPDU 방식에서는 과도하게 큰 A-MPDU가 생성될 수 있으며, 이러한 긴 길이의 프레임에 대한 수신단의 복조 과정의 동기 손실에 의한 패킷 손실 확률이 높은 단점이 있다. 또한, A-MPDU 내에 존재하는 각 MPDU의 처리를 위하여, MPDU 변별자(delimiter)의 unique pattern scan 과정으로 인하여 복잡도 및 처리 시간이 증가될 수 있다.
802.11n MAC은 기본적으로 BA 정책을 사용하는 것을 원칙으로 한다. A-MPDU의 BA 방식은 802.11e에서 정의한 Block Ack-No Ack 정책의 향상된 BA(enhanced BA) 방식이다. 즉, A-MPDU 수신 후 SIFS 시간 내에 BA MPDU를 전송하는 ‘immediate’ Ack 방식을 채택한다. 기존 802.11e의 BA은 16개의 MDPU로 구성된 64개의 MSDU 정보를 저장할 수 있는 152바이트로 되어 있다. 그러나, enhanced BA 방식은 A-MPDU 구성시 하나의 MSDU는 하나의 MPDU를 구성하여 64개의 MSDU 정보만을 저장하여 32바이트 길이를 갖는다.
또한 aggregation된 프레임을 전송 시 다른 단말의 송신을 막기 위하여 그림 2와 같이 LongNAV 정책을 사용한다. 기존 RTS/CTS에서 사용하던 NAV 방식과 같게 802.11n을 지원하지 못하는 단말 및 다른 단말의 송신에서 보호하기 위하여 예측되는 aggregation 프레임 송신시간 동안 채널을 예약하게 된다.

차세대 무선 LAN 시장 동향
시장 조사 전문 업체인 In-Stat는 지난해말 발표한 시장 분석 보고서를 통해 802.11n 무선 랜 기준이 아직 공식 비준을 거치지 못한 상태임에도 2007년이면 관련 기준에 의거한 제품의 출고량이 전체 WLAN 관련 제품 출고량의 20%에 이를 것으로 예측된다고 전망했다. In-Stat은 몇몇 업체들이 802.11n WLAN, 무선랜 구축 설계 기준에 맞는 설비를 생산하기 시작했지만, 시장의 이동은 기존의 802.11g때와는 달리 더디게 움직일 것이라고 밝혔다. In-Stat의 애널리스트인 Victoria Fodale은 “ 802.11n 도안 제품의 구매자는 802.11g 제품의 2,3배 가격이 되는 제품을 사고자 하는 얼리어댑터”라며, “802.11n으로의 이동은 802.11b에서 802.11g로 옮겨간 과거 때보다 훨씬 어려울 것으로 예상된다”고 말했다.
또한 시장 조사 전문기관인 IDC도 2004년부터 2009년까지 무선랜 시장의 연평균 성장률을 21%라고 전망하고 있다. 현재 무선랜 칩 공급자들은 모바일 폰과 같은 새로운 임베디드 응용으로 인한 무선랜 시장의 성장과 차세대 무선랜의 성능 향상으로 인한 수요증가에 중점을 두고 있다.
초기 IEEE 802.11n 규격은 크게 2개의 그룹으로 분류된다. 하나는 아테로스(Atheros)사를 선두로 하는 40MHz 대역 사용을 주장하는 그룹으로서, 삼성, 인텔, 필립스 및 소니가 이 캠프에 합류하고 있으며 자체적으로 TG nSynch라고 부르고 있다. 에어고(Airgo)사를 선두로 하는 경쟁 그룹인 WWiSE(World Wide Spectrum Efficiency) 그룹은 20MHz 대역을 고수하고 있으며, 한국의 ETRI를 비롯하여 브로드컴, 커넥선트, 미쯔비씨, 모토로라, ST마이크로 일렉트로닉스 및 텍사스 인스트루먼트사 등이 이 그룹에 속한다.
여러 개의 안테나를 채택하여 송신 데이터 효율을 향상시키는 방법인 MIMO 기술은 지난 2004년부터 시장에 등장하여 800만 달러의 매출을 기록하였다. MIMO를 채택한 차세대 무선랜의 표준인 IEEE 802.11n은 2006년 3월 회의를 통해 드래프트 안을 내놓았다. 이에 따라 오랫동안 논의되었던 802.11n의 기본 전송 방식이 대부분 결정되어 2006년부터 802.11n 칩셋이 발표되고 있다.
또한 게임기, DVD, 디지털 셋톱 박스, 오디오 등의 새로운 전자제품에서의 무선랜 칩셋 수요와 저전력과 저렴한 무선랜 솔루션을 탑재한 VoIP 기술은 무선랜 칩셋 시장의 영역을 더욱 넓혀갈 것이다.
세계 무선랜 칩 판매량은 2009년까지 4억8천7백만 대로 급등할 것으로 예상된다. 802.11b 시장은 모바일 폰같은 저렴하고 저전력이 필요한 곳에만 공급하여 연평균 성장률이 -46%로 2009년에는 천만 달러의 매출액이 예상된다. 한편 802.11g 매출액은 꾸준히 성장하여 2007년 12억 달러를 기록할 것이다. 그러나 2007년 이후로는 802.11n 시장의 증가로 2009년엔 매출액이 5억6800만 달러로 연평균 성장률이 -7%가 될 것으로 전망한다. 802.11 a+b/g 듀얼밴드 칩셋은 2억5900만 개의 15억 달러 매출액으로 연평균 68%의 성장률을 보일 것으로 예상한다. 802.11n은 2009년까지 연평균 157% 성장률을 보여 9억1300만 달러의 매출액을 기록할 전망이다.
아이씨엔 매거진 2007년 04월호